Tescan Solaris — это инструмент FIB-SEM, то есть сканирующий электронный микроскоп с технологией сфокусированного ионного пучка. Он используется для исследования и изготовления наноструктур и функциональных устройств нанотехнологии. Tescan Solaris сочетает в себе прецизионную ионную колонну и электронную колонну с ультравысоким разрешением и иммерсионной оптикой TriLens. Это позволяет выполнять лабораторную модификацию материалов с помощью сфокусированного ионного пучка и получать изображения сканирующей электронной микроскопии с ультравысоким разрешением. СЭМ-изображение формируется вслед за движением электронного пучка последовательно во времени, пиксель за пикселем. Для сравнения: фотографирование на фотоплёнку — это параллельный способ формирования изображения, потому что все зёрна фотоплёнки засвечиваются одновременно. Чем меньше диаметр электронного пучка, тем лучшего пространственного разрешения СЭМ можно добиться. Типичный диаметр электронного пучка — менее 10 нанометров.
Как и свет, рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны, только с меньшей длиной волны (на шкале спектра они находятся между ультрафиолетовым и гамма-излучением).
Синхротронное излучение — это электромагнитное излучение заряженных частиц, которые движутся в магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Магнитное поле буквально «срывает» с электронов потоки фотонов — так получается синхротронное излучение. В синхротроне электроны вращаются в сверхвысоком вакууме, они не соприкасаются со стенками вакуумной камеры.
А так как длина волны синхротронного излучения, используемая в экспериментах — доли нанометра, это позволяет разглядеть внутренние детали нанообъекта, в частности, определить атомную структуру молекул, в том числе белков, различных тканей, структуру искусственно созданных нанослоев, наномембран и так далее.
До начала 1960-х годов в качестве источников рентгеновского излучения для исследования вещества использовали рентгеновские трубки. С их помощью можно «увидеть» больше, чем через микроскоп, но возможности рентгена тоже ограничены. В рентгеновской трубке нельзя бесконечно увеличивать ток или напряжение, чтобы повысить яркость, иначе она просто расплавится. Яркость же синхротронного излучения выше рентгеновского в миллионы раз. Она и позволяет просветить глубинные слои вещества — органического и неорганического.
Для того чтобы электроны могли долго циркулировать в кольце синхротрона, используют специальные устройства, называемые высокочастотными резонаторами, которые на каждом обороте восполняют у электронов потери энергии на синхротронное излучение. Можно провести аналогию с качелями: для того чтобы амплитуда колебания качелей не затухала, их необходимо регулярно толкать в нужный момент. Так и резонаторы придают новую энергию электронам на каждом новом их обороте в основном накопителе. Именно потому, что резонаторы должны давать толчок электронам в нужный момент, синхронно, накопительное кольцо называют синхротроном.
Прогуляйтесь по залу основного накопителя и узнайте, как он устроен.
Инжекционный комплекс – источник электронов для основного накопителя-источника синхротронного излучения. Здесь получают, накапливают и ускоряют электронные пучки, чтобы перенаправить в основной накопитель.
Инжекционный комплекс состоит из электронной пушки, линейного ускорителя, бустерного синхротрона и каналов перепуска электронного пучка из линейного ускорителя в бустерный синхротрон и из бустерного синхротрона в основной накопитель.
Проследите за частицами, путешествующими по залу, посетив этот тур.
Из помещения главной пультовой управляют Курчатовским источником синхротронного излучения. Несмотря на автоматический режим работы, ключевые решения принимаются оператором в этом помещении. Кто и как управляет единственным в России специализированным источником синхротронного излучения, можно узнать во время этой экскурсии.
На экспериментальной станции «Фаза» с помощью уникального набора дифракционных и фазочувствительных методик проводят нанодиагностику различных объектов, включая приповерхностные слои, тонкие пленки, границы раздела, многослойные структуры, полупроводниковые сверхрешётки и структуры с квантовыми точками. Возможности станции позволяют исследовать процессы образования дефектов, а также изучать реальную структуру кристаллов.
Достоинства станции широко востребованы в материаловедении, микро- и наноэлектронике, рентгеновской оптике. Получение новых знаний о материалах на наноуровне позволяет оптимизировать технологические процессы формирования наносистем, управлять их свойствами и осуществлять контроль их качества.
Результаты исследований, проведенных на станции, могут быть использованы при разработке новых материалов с заданными параметрами (в том числе, композитных материалов и органо-неорганических, гибридных систем). Такие материалы могут быть базовой платформой для создания принципиально новых приборов и устройств с улучшенными характеристиками. Поэтому исследования на станции потенциально интересны для промышленности: микроэлектроники, приборостроения, металлургии, машиностроения, энергетики и космических технологий.
Посетите станцию, чтобы узнать, чем эта необычная установка отличается от других.
На экспериментальной станции «Медиана» проводят биомедицинскую и материаловедческую диагностику объектов с помощью 2D- и 3D-визуализации. На станции можно в деталях изучить внутреннюю структуру объектов размером от 10 до 50 миллиметров с разрешением, позволяющим в деталях рассмотреть структурные особенности размером до 15 микрометров (тысячных долей миллиметра).
Здесь с помощью синхротронного излучения создают 3D-картину внутреннего строения объектов, представляющих интерес как для биомедицинских, так и для социогуманитарных наук. Например, ученые проводят томографические исследования ископаемых животных, археологических артефактов, объектов культурного наследия.
Использование способов визуализации, основанных на преломлении излучения в образце (рефракционной или фазоконтрастной интроскопии), позволяет значительно снизить радиационную нагрузку на образец, что открывает дополнительные возможности проведения исследований биологических объектов в режиме in vitro.
На станции изучают воздействие лекарств на форму и объем онкологических новообразований. Исследования внутренней структуры и механических напряжений в кристаллических материалах важны при отработке технологии выращивания кристаллов, используемых в разных изделиях. Реализуемые на станции методы позволяют неразрушающим образом изучать реальную структуру кристаллических элементов в условиях их работы, не извлекая их из приборов и систем, в которых они используются.
Посмотреть на археологические находки можно, заглянув на станцию.
Лазерный комплекс позволяет проводить эксперименты с одновременным использованием излучений уникального лазера и синхротронного пучка. Лазерная установка генерирует сверхкороткие фемтосекундные (1 фемтосекунда – одна миллионная одной миллиардной секунды) импульсы с пиковой мощностью в 200 тераватт. Для сравнения, мощность самой сильной атомной электростанции в мире – чуть меньше 10 гигаватт, это в 20 тысяч раз меньше, чем пиковая мощность лазерного комплекса. Однако, АЭС работает в непрерывном режиме, а лазер развивает такую мощность только на сверхкороткое время.
Сочетание излучений уникального петаваттного фемтосекундного лазера и синхротронного пучка дает возможность наблюдать за процессами с высоким временным разрешением. Сверхбыстрый лазерный импульс активирует определенные физические процессы, а синхротронное излучение в режиме быстрой съемки позволяет получить серию кадров с информацией о поведении атомов после начала лазерного воздействия.
Также с помощью таких импульсов можно ускорять электроны и другие частицы, а значит, комплекс может частично заменить линейный ускоритель, синхротрон или лазер на свободных электронах (которые требуют гораздо больше пространства). Так, генерация электронных и протонных пучков находит применение в современной медицине.
Пройдитесь по лаборатории и взгляните на этот невероятный комплекс.
Экспериментальная станция «БиоМУР» позволяет определять структуру биологических объектов в том состоянии, в котором они находятся в организме человека или животного. На станции успешно исследуются био- и синтетические полимеры, растворы белков и биологических макромолекул, фибриллярные структуры, липидные наноструктуры и наноструктуры в твердых телах. Кроме того, на станции могут проводиться уникальные исследования молекулярной и наноструктурной динамики биологических тканей под влиянием внешних электромагнитных и температурных воздействий.
Основное направление прикладных исследований, проводимых на станции, связано с биомедициной. Методы, реализованные на станции, позволяют изучать структурную организацию сложных неупорядоченных объектов и систем: молекул белка, полимеров и других, имеющих практическую значимость для медицины объектов. Методики изучения образцов в растворе открывают возможность проведения исследований биологических объектов в естественных условиях.
Чтобы больше узнать об установке и проводимых на ней исследованиях, посетите экскурсию по станции.
Уникальная рентгенооптическая схема экспериментальной станции «Ленгмюр» позволяет проводить рентгеновские исследования структуры тонких пленок на поверхности жидкости. Здесь можно изучать, например, воздействие противоракового препарата на клеточную мембрану человека или процесс самосборки монослоя (слоя толщиной в один атом) молекул, имеющих перспективы применения для создания органических покрытий солнечных батарей.
Реализуемые на экспериментальной станции методы позволяют определять с точностью до тысячных долей ангстрема профиль распределения атомов по глубине структуры, кристаллическую структуру двумерных систем, химический состав приповерхностных слоев. Это делает станцию востребованной среди научных групп, исследующих процессы самоорганизации низкоразмерных наносистем, и групп, разрабатывающих новые способы адресной доставки лекарств в организм.
Поверхностно-чувствительные рентгеновские методики, реализуемые на станции, позволяют получать информацию об элементном составе и структурной организации динамичных двумерных объектов, что необходимо при разработке новых гибридных систем для наноэлектроники, энергетики, устройств искусственного интеллекта и при биомедицинских исследованиях.
Посетив тур, вы сможете взглянуть на установку и послушать, какие исследования проводят на ней ученые из разных городов страны.
Экспериментальная станция «РСА» (рентгеноструктурного анализа) – уникальная синхротронная станция, позволяющая проводить эксперименты по структурной диагностике кристаллических образцов с помощью монокристальной и порошковой рентгеновской дифракции. По сути, в результате эксперимента на этой станции получает с высоким разрешением трехмерную картинку распределения атомов в кристаллическом материале любой природы, будь то перспективный материал для микроэлектроники или человеческий белок. Использование синхротронного излучения для проведения такого типа экспериментов позволяет получать структурные данные высокого качества за кратчайшее время.
На станции ежедневно проводят большое количество экспериментов по определению 3D атомной структуры и фазового состава различных веществ. Использование дифракционных методик позволяет проводить исследования образцов из таких областей науки и техники как структурная химия, биология, физика магнитных и сверхпроводящих материалов, экология, археология, объекты культурного наследия, материалы для водородной энергетики.
Послушайте почти детективные истории об исследовании разных материалов, зайдя на эту станцию.
На экспериментальной станции фотоэлектронной спектроскопии «НаноФЭС» исследуют электронную структуру вещества. Анализируя спектры фотоэлектронов, выбиваемых из образца пучком синхротронного излучения, можно определить, в каком состоянии эти электроны находились в исследуемом объекте и, как следствие, структуру электронных уровней атомов, из которых состоит образец.
Именно электронная структура окружающих нас предметов определяет все их свойства: цвет, твердость, химическая активность, электрическая проводимость и т.п. Знание об электронной структуре позволяет лучше понять природу тех или иных свойств вещества, разработать пути направленного изменения этих свойств, а также создавать новые объекты и системы с уникальными характеристиками.
Ученые фокусируют внимание на исследовании наноразмерных объектов, применяемых в микроэлектронике, каталитической химии и совместимых с организмом системах. С какими интересными образцами работают ученые, узнайте в этом туре.
На экспериментальной станции «Микрофокус» исследуют внутреннюю структуру объектов на микроуровне с помощью фокусировки рентгеновского излучения до микронных и субмикронных размеров. Объектами исследований являются произведения искусства, объекты культурного наследия, твердотельные образцы минералогического, геологического и археологического происхождения. На станции может проводиться аттестация различных элементов и схем фокусирующей рентгеновской оптики.
Результаты исследований востребованы в атомной промышленности (томография частиц топлива), микроэлектронике (томография микросхем с субмикронным разрешением, исследования остаточных напряжений чипов), биомедицине (такие слабоконтрастированные образцы как мозг), а также в области гуманитарных наук (изучение состава старинных картин, скульптур, керамики, петроглифов).
Вместе с сотрудником пройдитесь по станции, чтобы познакомиться с его работой.
Группа органической поляритоники Лаборатории гибридной фотоники работает над установлением микроскопических механизмов бозе-эйнштейновской конденсации поляритонов (квазичастиц в твёрдом теле), исследованием явлений в бозе-эйнштейновских конденсатах, поиском новых архитектур для оптоэлектронных устройств нового поколения.
Особенность нашего проекта состоит в применении передовых экспериментальных методов изучения поляритонных бозе-конденсатов, а также использовании оригинальных теоретических подходов для интерпретации экспериментальных данных, установления механизмов и построения моделей, распространение и взаимодействие бозе-эйнштейновских конденсатов в твёрдом теле. Исследования учёных закладывают физические принципы работы органической поляритоники.
Рабочая станция представляет собой микроскоп, соединённый со столами поступательного передвижения, которые позволяют регулировать положение субстрата с ультравысокой, нанометровой точностью. Эта специально спроектированная экспериментальная установка используется для бесконтактной модификации поверхностей материалов посредством воздействия плотно сфокусированным лазерным лучом. Установка используется в лаборатории для «печати» фотонных интегральных схем, которые являются аналогом микроэлектронных интегральных схем, а также для синтеза ультратонких полупроводниковых материалов, в том числе дихалькогенидов переходных металлов.
Посетите тур, чтобы узнать, как сотрудники лаборатории создают прототипы полностью оптических устройств, основанных на сильном взаимодействии света и вещества.
Чистая комната — помещение с контролируемой средой, в котором обеспечены стабильная влажность и температура, а также сниженная концентрация частиц пыли. Последнее достигается за счёт сочетания высокоэффективных фильтров и постоянного оттока воздуха наружу. Чистую комнату используют для работы с экспериментальными образцами. Эта лаборатория необходима для проведения подготовительных работ, связанных с лазерным синтезом и исследованием свойств полупроводниковых 2D-материалов.
Чтобы узнать, какие этапы включает подготовка проб, зайдите в чистую комнату.
В лаборатории биофотоники используют последние достижения фотоники, материаловедения и акустики для решения биомедицинских задач, включая диагностику и лечение заболеваний. Особое внимание уделяется развитию методов визуализации и созданию сенсорных устройств для анализа газов и жидкостей, в том числе для жидкой биопсии. Здесь создаются наноструктурированные частицы, сигнал от которых может визуализироваться целым рядом применяемых в клинической практике методов: флуоресцентной визуализацией, МРТ, ультразвуковой и оптоакустической томографией. При помощи такого метода можно будет определить статус ближайших к злокачественной опухоли лимфатических узлов.
Другое направление исследований — разработка системы направленной доставки лекарств, которые будут высвобождаться в результате внешнего воздействия, например сфокусированного ультразвука.
Посетите лабораторию, чтобы узнать, как ее сотрудники работают над системами доставки лекарств и определения патологий.
В помещении Лаборатории биофотоники осуществляется синтез нано- и микрочастиц, их характеризация методом динамического рассеяния света (определяется размер, электрокинетический потенциал), измерение спектров поглощения и флуоресценции, а также визуализация частиц in vitro (с возможностями ex vivo и in vivo) методами оптоакустической микроскопии и флуоресцентной визуализации.
Загляните в лабораторию биофотоники для того, чтобы узнать, как ученые исследуют движение лекарств в организме, обмен «смс-сообщениями» между клетками и многое другое.
Темная комната в Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ изначально предназначалась для тестирования крупногабаритных фотоумножителей эксперимента JUNO. Этот эксперимент, который будет проведен на базе Цзяньминьской подземной нейтринной обсерватории (JUNO), проектируется для изучения иерархии масс нейтрино, а также для точного измерения осцилляционных параметров нейтрино через регистрацию реакторных антинейтрино в сцинтилляционном детекторе.
Ученые смогут использовать детектор и для изучения солнечных нейтрино, геонейтрино (рождающихся при распаде радионуклидов внутри Земли) и атмосферных нейтрино. Исследования такого рода помогут физикам ответить на ключевые вопросы о том, как устроен микро- и макромир, что происходило и происходит во Вселенной и как можно использовать эти знания в будущем.
Вакуумные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), которые тестируются в Темной комнате, − это сверхчувствительные приборы, способные регистрировать одиночные кванты света – фотоны. Чтобы уменьшить фон от внешнего света, вся комната изнутри окрашена в черный цвет и полностью светоизолирована.
В комнате предусмотрена компенсация магнитного поля Земли: на полу, стенах и потолке смонтированы катушки Гельмгольца. По катушкам пропускается электрический ток, который создает вектор магнитного поля, строго противоположный магнитному полю Земли. Таким образом оно компенсируется почти до нуля (единицы − мкТл). Ученым это нужно для того, чтобы убрать силу Лоренца, которая действует внутри ФЭУ на электроны и делает эксплуатацию крупногабаритных ФЭУ в магнитном поле Земли (50 мкТл) практически невозможной.
Загляните в Темную комнату, чтобы узнать, как исследователи тестируют вакуумные фотоэлектронные умножители.
Лаборатория тестирования фотодетекторов, или как ее называют из-за цвета здания «Зеленая лаборатория», представляет собой лабораторно-экспериментальный комплекс для изучения и испытаний фотодетекторов, а также сцинтилляционных детекторов. Исследования в области нейтринной физики, проведенные с помощью этих устройств, помогут ученым ответить на ключевые физические вопросы, "заглянуть" за пределы Стандартной модели, понять почему вещества во Вселенной больше, чем антивещества, а также раскрыть другие тайны природы.
В “Зеленой лаборатории” ученые работают прежде всего над методикой изучения вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и полупроводниковых кремниевых фотоумножителей (SiPM). Эти фотодетекторы нужно тестировать для того, чтобы определить их точные параметры. Они учитываются в дальнейшем при проектировании физических установок. Например, такой параметр, как PDE (эффективность регистрации фотонов) очень важен: он влияет на точность измерения энергии детектора (энергетическое разрешение). Комплекс базируется в Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований. Сегодня основная деятельность коллектива “Зеленой лаборатории” – это работа в экспериментах, изучающих нейтринные осцилляции: JUNO/TAO (Китай) и NOvA/DUNE (США).
Для эксперимента TAO в “Зеленой лаборатории” разрабатывается методика массового тестирования матриц SiPM. Матрица SiPM— это плата, на которую устанавливается до 64 кремниевых фотодетекторов. Всего ученые планируют протестировать более 4000 матриц. Для детектора JUNO в Темной комнате была разработана сканирующая станция. При помощи разработанной методики уже были протестированы более 3000 крупногабаритных ФЭУ.
Здесь также изучается жидкий сцинтиллятор детектора NOvA, был исследован эффект гашения сцинтилляций (коэффициент Биркса), сейчас анализируется вклад черенковского света в отклик сцинтиллятора. А еще разрабатывается система считывания света (LRO) в жидкоаргоновой времяпроекционной камере ближнего детектора (ND-LAr) эксперимента DUNE.
В лабораторном комплексе располагается также комната удаленного управления эксперимента NOvA, где ученые из ОИЯИ и других институтов, работая посменно, контролируют работу детекторов и процесс набора данных.
Фурье-дифрактометр высокого разрешения (ФДВР) — это уникальный инструмент для исследований кристаллических материалов в виде порошка. Он находится на реакторе ИБР-2 Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований. ФДВР отличается от других нейтронных дифрактометров высоким разрешением, что позволяет исследовать структуру веществ с особо высокой точностью.
Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому рассеиваются они в основном ядром, а не электронами в атоме. Как следствие, “барьеров” на их пути становится меньше, что позволяет частицам проникать гораздо глубже в вещество, чем другие виды излучений (включая хорошо знакомое нам рентгеновское). Этот эффект дает возможность охарактеризовать интересующий материал по всему объему, а не только его поверхность. С помощью нейтронов ученые могут получать информацию о материале, находящегося внутри какого-то устройства или оболочки — например, внутри металлического кейса — не разбирая саму оболочку. Это делает их удобным инструментом для исследования многокомпонентных реальных объектов, таких как аккумуляторы. Кроме того нейтроны имеют магнитный момент, что позволяет исследовать некоторые магнитные свойства вещества.
Нейтроны, как и рентгеновское излучение, при выполнении ряда условий, могут дифрагировать на кристалле , то есть рассеиваться по определенным законам: например, усиливаться или ослабляться в зависимости от направления рассеяния. Такое рассеянное излучение можно регистрировать и затем анализировать, получая информацию об атомном строении исследуемого вещества: симметрии кристалла, расположении и типе атомов, дефектах кристаллической решетки и многом другом. Эти данные нужны, чтобы ответить на фундаментальные вопросы — например, как работает материал и какие процессы в нем происходят. Особенно это актуально для создания аккумуляторов нового поколения.
Загляните в комнату, чтобы узнать, как работает фурье-дифрактометр!